Energy, chemistry, and society 이영식 2004. 10. Matter & Energy 물질 (matter) 물질 (matter) 공간을 차지하고 질량 (mass) 을 가진다 공간을 차지하고 질량 (mass) 을 가진다 에너지 (energy) 에너지.

Presentation on theme: "Energy, chemistry, and society 이영식 2004. 10. Matter & Energy 물질 (matter) 물질 (matter) 공간을 차지하고 질량 (mass) 을 가진다 공간을 차지하고 질량 (mass) 을 가진다 에너지 (energy) 에너지."— Presentation transcript:

1 Energy, chemistry, and society 이영식 2004. 10

2 Matter & Energy 물질 (matter) 물질 (matter) 공간을 차지하고 질량 (mass) 을 가진다 공간을 차지하고 질량 (mass) 을 가진다 에너지 (energy) 에너지 (energy) 일을 할 수 있는 능력 일을 할 수 있는 능력 열 (heat) 과 일 (work) 의 형태를 가진다 열 (heat) 과 일 (work) 의 형태를 가진다 E=mc 2 E=mc 2 물질과 에너지의 연관성 물질과 에너지의 연관성

3 James P. Joule (1818-1889) born in Salford, Lancashire worked in a brewery Hero in Thermodynamics 질문 : 무게 25 ℃ 물이 1 g 있다. 이 물의 온도를 올릴 수 있는 방법은 무 엇인가 ?

4 대답 = 두 가지 해결 방법 일 ( 실험 2) 과 열 ( 실험 1) 은 같은 효과를 얻을 수 있다.

5 Work and heat 일이나 열은 같은 효과를 얻을 수 있다. 일과 열은 결국 같은 종류의 것이 아닐까 ? 일이나 열은 같은 효과를 얻을 수 있다. 일과 열은 결국 같은 종류의 것이 아닐까 ? Joule 은 일과 열을 모두 ' 에너지 ' 라는 새로 운 개념의 한 형태로 정의 Joule 은 일과 열을 모두 ' 에너지 ' 라는 새로 운 개념의 한 형태로 정의 에너지는 계의 상태가 변할 때 일이나 열의 형태로 나타낼 수 있는 추상적인 양 에너지는 계의 상태가 변할 때 일이나 열의 형태로 나타낼 수 있는 추상적인 양

6 에너지의 단위 에너지의 크기는 줄 (J) 이라는 단위로 표시 에너지의 크기는 줄 (J) 이라는 단위로 표시 1 J 은 어떤 물체를 1 뉴턴 (N) 의 힘으로 1 m 만큼 움직이는 데 필요한 일의 양 1 J 은 어떤 물체를 1 뉴턴 (N) 의 힘으로 1 m 만큼 움직이는 데 필요한 일의 양 1 J = 1 Newton-meter 1 J = 1 Newton-meter 1 J 은 1 kg 의 책을 중력에 대해서 10 cm 만큼 들어올리는 데 필요한 일의 양 1 J 은 1 kg 의 책을 중력에 대해서 10 cm 만큼 들어올리는 데 필요한 일의 양 인간의 심장이 한번 박동하는데 필요한 에너지 인간의 심장이 한번 박동하는데 필요한 에너지 1840 년대 줄의 실험에 의해 물 1g 의 온도를 1 ℃올리는 데 필요한 열은 4.18J 의 일 (1cal) 에 해당한다는 사실이 밝혀 졌다. 1840 년대 줄의 실험에 의해 물 1g 의 온도를 1 ℃올리는 데 필요한 열은 4.18J 의 일 (1cal) 에 해당한다는 사실이 밝혀 졌다. 1 cal = 4.184 J 1 cal = 4.184 J 따라서 J 은 일과 열, 그리고 에너지를 나타내는 단위 따라서 J 은 일과 열, 그리고 에너지를 나타내는 단위

7 다른 에너지 단위들 calorie calorie 식품 분야에서 많이 쓰이는 에너지 단위 식품 분야에서 많이 쓰이는 에너지 단위 1 cal = 4.184 J 1 cal = 4.184 J 1 Cal = 1 kcal 1 Cal = 1 kcal Erg Erg 1 J = 10 7 erg 1 J = 10 7 erg BTU (British thermal unit) BTU (British thermal unit) 일 파운드의 물을 화씨 일도 올리는데 필요한 에너지 일 파운드의 물을 화씨 일도 올리는데 필요한 에너지

8 First law of thermodynamics 에너지 = 열 + 일 에너지는 창조되지도 소멸되지도 않는다.

9 work Work = force x displacement Work = force x displacement Physical work Physical work No force means no work No force means no work Work = pressure x volume change Work = pressure x volume change Expansion work Expansion work Pressure = force / area Pressure = force / area Volume = area x displacement Volume = area x displacement Work = F dx = P dV Work = F dx = P dV

10 Expansion Work

11 Heat 열 높은 온도에서 낮은 온도의 물체로 흐른다 높은 온도에서 낮은 온도의 물체로 흐른다 분자운동이 활발하면 열이 만다 분자운동이 활발하면 열이 만다 온도 온도 열의 흐르는 방향을 결정지어 주는 물리성질 열의 흐르는 방향을 결정지어 주는 물리성질 분자 운동의 평균 속력에 대한 통계적 척도 분자 운동의 평균 속력에 대한 통계적 척도 열에너지가 증가하면 온도가 상승 열에너지가 증가하면 온도가 상승

12 World Energy consumption

13 US energy consumption During the 140 years between 1850 and 1990 total energy consumption per individual more than tripled. you and I use 3 times as much energy during our lifetimes as someone who lived during the civil war. As energy consumption per capita increased, so did the nation's GNP. Essentially, we convert energy into food, housing and products; and the more energy we put into this process, the better we live (some may debate whether we actually live "better" than people did during the 19th century)

14 Energy consumption per capital The relationship between GNP per capita and energy use per person follows a straight line and emphasizes the relationship between how much energy we consume and our standard of living.

15 에너지 사용량의 증가요인 에너지 사용량의 증가 에너지 사용량의 증가 새로운 고에너지 원천의 등장 새로운 고에너지 원천의 등장 에너지를 이용하고 뽑아내는 방법의 발전 에너지를 이용하고 뽑아내는 방법의 발전 에너지 관점에서 미국인 1 명 =130 명의 육체 노동자 에너지 관점에서 미국인 1 명 =130 명의 육체 노동자

16 Energy source

17 연소를 통한 에너지 연료 연료 에너지의 원료 에너지의 원료 석탄, 목재, 천연가스, 석유 등 석탄, 목재, 천연가스, 석유 등 구성성분을 연소시켜 열을 얻는다 ( 발열반응 ) 구성성분을 연소시켜 열을 얻는다 ( 발열반응 ) 연소란 연료가 산소와 결합하여 산화물을 반들 면서 열과 빛을 내는 화학반응 연소란 연료가 산소와 결합하여 산화물을 반들 면서 열과 빛을 내는 화학반응 연소 과정에서도 에너지는 보존된다 연소 과정에서도 에너지는 보존된다 CH 4 (g) + 2 O 2 (g) → CO 2 (g) + 2 H 2 O + E CH 4 (g) + 2 O 2 (g) → CO 2 (g) + 2 H 2 O + E

18 화학반응 = 결합의 재배치 화학결합 화학결합 결합을 끊는데 에너지가 필요하다. 결합을 끊는데 에너지가 필요하다. 분자에 에너지를 가해주어야 한다. 분자에 에너지를 가해주어야 한다. 흡열반응 흡열반응 화학반응 화학반응 화학결합을 끊고 새로운 화학결합을 만든다 화학결합을 끊고 새로운 화학결합을 만든다 약한 결합을 끊고 강한 결합을 만들면 에너지 가 남는다. ( 반응열의 발생 ) 약한 결합을 끊고 강한 결합을 만들면 에너지 가 남는다. ( 반응열의 발생 )

19 화학결합과 에너지 (kJ/mol)

20 Hydrazine synthesis reaction N 2 + 2H 2 → N 2 H 4 N 2 + 2H 2 → N 2 H 4 Energy absorbed for bond breaking Energy absorbed for bond breaking +946 + 2 x (+436) = +1818 kJ +946 + 2 x (+436) = +1818 kJ Energy released by bond making Energy released by bond making (-389) x 4 + (-163) = -1719 kJ (-389) x 4 + (-163) = -1719 kJ Energy change during the reaction Energy change during the reaction (+1818) + (-1719) = +99 kJ (+1818) + (-1719) = +99 kJ

21 Water Generation reaction

22 반응열 반응열 반응열 표준상태에서 이루어진 반응에서 발생한 열 표준상태에서 이루어진 반응에서 발생한 열 반응열 측정 반응열 측정 직접법 : 통열량계를 이용하여 직접 측정, 또는 표에서 직접 계산 직접법 : 통열량계를 이용하여 직접 측정, 또는 표에서 직접 계산 간접법 : 원소로부터 직접 합성이 안 되는 경우 간접법 : 원소로부터 직접 합성이 안 되는 경우 Hess 의 법칙 이용 Hess 의 법칙 이용

23 Bomb calorimeter 난 통 열량계는 잘 몰라요 통아저씨 이양승 Parr 통열량계

24 Using Bomb calorimeter submerges the reaction inside an insulated container of water. An electrical heating device starts the reaction inside a sealed reaction vessel and the temperature rise of the water which surrounds it is measured. submerges the reaction inside an insulated container of water. An electrical heating device starts the reaction inside a sealed reaction vessel and the temperature rise of the water which surrounds it is measured. heat loss from a calorimeter heat loss from a calorimeter to use an electrical heater to produce the same temperature change over the same time period in the calorimeter as the reaction being measured. to use an electrical heater to produce the same temperature change over the same time period in the calorimeter as the reaction being measured. Another method is to keep the temperature of the water surrounding the reaction vessel constant by heating or cooling it Another method is to keep the temperature of the water surrounding the reaction vessel constant by heating or cooling it

25 Heat capacity calculation

26 Heat of combustion calculation

27 Born-Haber cycle : 1 mol of NaCl

28 Reaction Profile A Plot of Energy vs. Rxn coordinate A Plot of Energy vs. Rxn coordinate Activation energy Activation energy 엄청난 발열반응도 활성화 에너지가 필요 엄청난 발열반응도 활성화 에너지가 필요 반응을 일으키는데 필요한 에너지 반응을 일으키는데 필요한 에너지 활성화 에너지가 크면 반응이 어렵다 활성화 에너지가 크면 반응이 어렵다 Net energy change in reaction Net energy change in reaction 평형상수와 관련 평형상수와 관련 흡열, 발열 반응 여부 흡열, 발열 반응 여부

29 Direction of change and Rate Diamond vs. Graphite Thermodynamic vs. Kinetic control

30 Catalyst by Halston

31 Definition of Catalyst A chemical substance that participates in a chemical reaction and influences its speed without undergoing permanent change A chemical substance that participates in a chemical reaction and influences its speed without undergoing permanent change 활성화 에너지가 감소한 것처럼 보인다. 활성화 에너지가 감소한 것처럼 보인다. 산업체 – 촉매 ( 하버 공정 ) 산업체 – 촉매 ( 하버 공정 ) 생체 – 효소 생체 – 효소 자동차 – 촉매 변환기 자동차 – 촉매 변환기

32 Enzyme reaction

33 Haber Process 공기 중 질소를 암모니아로 공기 중 질소를 암모니아로 화학 비료, 화약의 원료 화학 비료, 화약의 원료 평형과 촉매에 대한 이해를 통해 가능 평형과 촉매에 대한 이해를 통해 가능

34 Demand for N fertilizers During the 20 th century, the world-wide demand for nitrogen based fertilizers exceeded the existing supply. During the 20 th century, the world-wide demand for nitrogen based fertilizers exceeded the existing supply. 인구는 최근 200 년 동안 5 배 이상 증가하였고, 평균 수명 도 2 배 이상 늘어났다. 인구는 최근 200 년 동안 5 배 이상 증가하였고, 평균 수명 도 2 배 이상 늘어났다. 오늘날 중부 유럽에서는 1 ha 의 땅에서 약 4 톤의 농작물 을 생산한다고 한다. 화학비료가 없었던 때에는 풍년인 해 에도 같은 면적에서 2 톤 이상을 생산하지 못했다. 오늘날 중부 유럽에서는 1 ha 의 땅에서 약 4 톤의 농작물 을 생산한다고 한다. 화학비료가 없었던 때에는 풍년인 해 에도 같은 면적에서 2 톤 이상을 생산하지 못했다. 살충제가 없었다면 수확량의 1/3 이상은 벌레나 잡초 때 문에 수확할 수 없었다. 설령 수확을 해도 방부제가 없었 기 때문에 오랜 기간 동안 보존하기도 쉽지 않았다. 살충제가 없었다면 수확량의 1/3 이상은 벌레나 잡초 때 문에 수확할 수 없었다. 설령 수확을 해도 방부제가 없었 기 때문에 오랜 기간 동안 보존하기도 쉽지 않았다.

35 Chile Guano deposit The largest source of the chemicals necessary for fertilizer production was found in a huge guano deposit (essentially sea bird droppings) that was 220 miles in length and five feet thick, located along the coast of Chile.

36 Fritz Haber (1868-1935) http://www.woodrow.org/teachers/chemistry/ institutes/1992/Haber.html

37 Nobel prize in Chemistry 1918 "for the synthesis of ammonia from its elements “ Fritz Haber Kaiser-Wilhelm-Institut (now Fritz-Haber-Institut) f ü r physikalische Chemie und Electrochemie Berlin-Dahlem, Germany

38 CHEMIST AND PATRIOT In 1911, Haber was appointed director of the Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry in Berlin. In 1911, Haber was appointed director of the Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry in Berlin. This new research facility was to become more famous than the school he had built up at Karlsruhe. With the outbreak of World War I in 1914, Haber was in charge of forming a center for cross-disciplinary research in chemistry and physics and as such, he immediately placed himself and his laboratory at the service of the German government. He became a behind-the-scenes consultant on industrial mobilization. This new research facility was to become more famous than the school he had built up at Karlsruhe. With the outbreak of World War I in 1914, Haber was in charge of forming a center for cross-disciplinary research in chemistry and physics and as such, he immediately placed himself and his laboratory at the service of the German government. He became a behind-the-scenes consultant on industrial mobilization. During the war, Haber, the embodiment of Prussian pride, unquestionably and uncritically accepted the State's wisdom. He served his beloved country in many ways. For example, because Germany was essentially landlocked for the duration of the war, the supply of necessary materials was a serious problem. During the war, Haber, the embodiment of Prussian pride, unquestionably and uncritically accepted the State's wisdom. He served his beloved country in many ways. For example, because Germany was essentially landlocked for the duration of the war, the supply of necessary materials was a serious problem. Haber's institute worked on numerous wartime concerns including the problem of keeping motors running. He showed that xylene and the solvent naptha were good substitutes for toluene as an antifreeze in benzene motor fuel. Since xylene and naptha were available in Germany and toluene was not, Haber's contributions helped to keep German machinery running and aided in sustaining their war effort for four years. Haber's institute worked on numerous wartime concerns including the problem of keeping motors running. He showed that xylene and the solvent naptha were good substitutes for toluene as an antifreeze in benzene motor fuel. Since xylene and naptha were available in Germany and toluene was not, Haber's contributions helped to keep German machinery running and aided in sustaining their war effort for four years.

39 Jewish academics When Hitler became Chancellor and Jewish academics were purged, Haber realized that the time had come when his strong patriotism and his service to his native land could not overcome the reality of his Jewish heritage. When Hitler became Chancellor and Jewish academics were purged, Haber realized that the time had come when his strong patriotism and his service to his native land could not overcome the reality of his Jewish heritage. Because of his distinguished service to his country in World War I, his life was not actually threatened, but he realized that it was time to emigrate. It is known that he would have preferred to go to Switzerland, but no invitation was offered. Because of his distinguished service to his country in World War I, his life was not actually threatened, but he realized that it was time to emigrate. It is known that he would have preferred to go to Switzerland, but no invitation was offered. He was offered a position at Cambridge; thus, he left Germany for good in 1933. He did not stay long in England, as ill health and the climate depressed him. On route to visit Switzerland, he died suddenly at Basle on January 30, 1935, at the age of 65. He was offered a position at Cambridge; thus, he left Germany for good in 1933. He did not stay long in England, as ill health and the climate depressed him. On route to visit Switzerland, he died suddenly at Basle on January 30, 1935, at the age of 65.

40

41 Fossil Fuel Fossil Fuels Fossil Fuels naturally occurring combustible material made from organic matter derived from ancient plants and animals naturally occurring combustible material made from organic matter derived from ancient plants and animals all fossil fuels are composed of hydrocarbons all fossil fuels are composed of hydrocarbons Petroleum Petroleum a type of fossil fuel that is a naturally-occurring, yellow to black, flammable, liquid hydrocarbon a type of fossil fuel that is a naturally-occurring, yellow to black, flammable, liquid hydrocarbon chemical reactions transform organic material into hydrocarbons chemical reactions transform organic material into hydrocarbons

42 Carbon Cycle Carbon can be found Carbon can be found in air (carbon dioxide CO 2 ) in air (carbon dioxide CO 2 ) dissolved in water (carbonate ions CO 3 2- and bicarbonate ions HCO 3 - ) dissolved in water (carbonate ions CO 3 2- and bicarbonate ions HCO 3 - ) in rocks and soil (limestone CaCO 3 ) in rocks and soil (limestone CaCO 3 ) in organisms (carbohydrates, fats, proteins, nucleic acids) in organisms (carbohydrates, fats, proteins, nucleic acids) Carbon transport processes Carbon transport processes Photosynthesis, where atmospheric CO 2 and water are fixed to organic compounds such as sugar Photosynthesis, where atmospheric CO 2 and water are fixed to organic compounds such as sugar Respiration, where organic compounds consumed during cellular respiration and returned to the air/water as CO 2 : Respiration, where organic compounds consumed during cellular respiration and returned to the air/water as CO 2 : Decay, where carbon in organic compounds making up the structure of living things is returned to the soil/atmosphere/water Decay, where carbon in organic compounds making up the structure of living things is returned to the soil/atmosphere/water Fossil fuels = photosynthesis + decay Fossil fuels = photosynthesis + decay

43

44 Coal 땔감 → 석탄 땔감 → 석탄 더 좋은 에너지 공급원 더 좋은 에너지 공급원 산업혁명과 더불어 대량으로 개발시작 산업혁명과 더불어 대량으로 개발시작 원유 보유량보다 20-40 배 원유 보유량보다 20-40 배 석탄의 성분 석탄의 성분 표 4.2 표 4.2 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 석탄의 종류 석탄의 종류 역청탄 역청탄 무연탄 무연탄 무여탄 – 높은 탄소함량과 낮은 유황성분 무여탄 – 높은 탄소함량과 낮은 유황성분

45 mining

46 검은 액체 황금 - 석유

47 Oil Petroleum Petroleum 1950 년대부터 미국의 주 에너지 공급원 1950 년대부터 미국의 주 에너지 공급원 액체 - 송유관 액체 - 송유관 농축된 에너지 공급원 으로 g 당 석탄의 40- 60% 의 에너지를 공급 농축된 에너지 공급원 으로 g 당 석탄의 40- 60% 의 에너지를 공급 원유는 정유과정 필요 원유는 정유과정 필요 석유화학공업의 탄생 석유화학공업의 탄생

48

49 Events for oil Life rich ancient sea Life rich ancient sea Sediments buried the organic material raining down onto the seafloor faster than it could decay Sediments buried the organic material raining down onto the seafloor faster than it could decay Seafloor sediments ended up at just the right depth (7500-15000 ft) for heat and pressure to slow-cook Seafloor sediments ended up at just the right depth (7500-15000 ft) for heat and pressure to slow-cook Oil collected in a trp of porous sandstone or limestone Oil collected in a trp of porous sandstone or limestone An impermeable cap of shale or salt An impermeable cap of shale or salt

50

51 Crude Oil Imports to CA 2001 아시아, 유럽, 미주 지역의 각 대표 유종인 두바이, 브렌트, WTI 유

52 원유의 정제 원유의 정제과정 정유공장 증류탑에서 끓는점의 차이를 이용 분자량이 증가할수록 끓는점은 높아진다 부피의 단위 1 배럴 = 42 갤런 1 갤런 = 3.7854 리터 50 달러 / 배럴 = 0.3145 달러 / 리터

53 Distillation Tower

54 One Barrel of Crude Oil Petroleum feedstocks 1.25 gal Chemical products, plastics Asphalt and road oil 1.3 gal Boiler oil 2.9 gal Other 4.2 gal lubricants, waxes, solvents Jet Fuel 4.2 gal Diesel and Home heating oil 8.4 gal Gasoline 19.7 gal

55 Molecular manipulation Cracking Cracking 가솔린의 급격한 수요 증가 가솔린의 급격한 수요 증가 중질유를 열분해 하여 경질유인 가솔린으로 쪼 개기 중질유를 열분해 하여 경질유인 가솔린으로 쪼 개기 고온 고압하에서 분해하는 열분해 (thermal cracking) 고온 고압하에서 분해하는 열분해 (thermal cracking) 촉매를 사용하여 분해하는 접촉분해 (catalytic cracking) 촉매를 사용하여 분해하는 접촉분해 (catalytic cracking) 합성반응 합성반응

56 Reforming 리포밍 리포밍 옥탄가가 낮은 가솔린으로부터 옥탄가가 높은 가솔린 을 제조하는 법 옥탄가가 낮은 가솔린으로부터 옥탄가가 높은 가솔린 을 제조하는 법 개질 가솔린 (RFG) 개질 가솔린 (RFG) 옥탄가 옥탄가 N-octane(Octane Rating -20) N-octane(Octane Rating -20) isooctane(Octane Rating 100) isooctane(Octane Rating 100) 옥탄가 증가 옥탄가 증가 테트라에틸 납 첨가 테트라에틸 납 첨가 산소처리 휘발유 – ethanol, MTBE, methanol 첨가 산소처리 휘발유 – ethanol, MTBE, methanol 첨가 Methyl tertiary-butyl ether Methyl tertiary-butyl ether Table 4.3 Table 4.3

57 대체 물질 수성가스 수성가스 수증기를 뜨거운 코크스 위로 흘려 발생하는 일산화탄소와 수소의 혼합 물 수증기를 뜨거운 코크스 위로 흘려 발생하는 일산화탄소와 수소의 혼합 물 C + H 2 O(g) → CO(g) + H 2 (g) C + H 2 O(g) → CO(g) + H 2 (g) 합성 가솔린 합성 가솔린 Fischer-Tropsch 법 Fischer-Tropsch 법 일산화탄소 + 수소기체 + 철 혹은 코발트 촉매 일산화탄소 + 수소기체 + 철 혹은 코발트 촉매 → 탄화수소 (C5-C8) 합성 → 탄화수소 (C5-C8) 합성 목재 목재 이산화탄소의 효과적인 흡수제 이산화탄소의 효과적인 흡수제 에탄올 에탄올 전분, 설탕 등 탄수화물의 발효 전분, 설탕 등 탄수화물의 발효 가솔린과 혼합하면 가소올 연료 가솔린과 혼합하면 가소올 연료 순수한 메탄올 엔진 = 경주용 자동차 순수한 메탄올 엔진 = 경주용 자동차 쓰레기 소각 쓰레기 소각 미생물 메탄 발생기 미생물 메탄 발생기

58 Heat Engine 엔진 엔진 열을 일로 바꾸는 장치 열을 일로 바꾸는 장치 증기 터빈, 내연기관 증기 터빈, 내연기관 열과 일 열과 일 일을 시켜 에너지 축적 – 발전 일을 시켜 에너지 축적 – 발전 열을 일로 바꾸는 효율의 한계 열을 일로 바꾸는 효율의 한계 Heat Engine Maximum Efficiency (ε) Heat Engine Maximum Efficiency (ε)

59

60

61

62

63

64 에너지 보존 법칙만으로 충분한가 ? 에너지보존이라고 찬 물체가 점점 더 차질 수 있는가 ? 더운물과 찬물이 합치는 경우를 설명 ? 열은 더운 곳에서 찬 곳으로, 한 방향 만으로 ! 계가 일을 하는데 사용 할 수 있는 에너지 (Free Energy) 는 내부에너지에서 TS 를 뺀 양이다. F = U - TS T: 절대온도 (K) ; ℃ + 273.15 = K S: 엔트로피 ( ≥ 0 )

65 Work and Heat 공과 부딪친 바닥 분자들은 운동이 증가된다. 이런 미시적 에너지가 열이다. 공과 바닥 모두 충격이 일어나기 전보다 따뜻해 졌을 것이다. 공을 구성하는 분자들이 모두 같은 방향으로 위로 움직여야 하며, 동 시에 마루를 구성하는 모든 분자들이 위로 움직여야 공을 밀 수가 있 다. 확률적으로 불가능하다.

66 Definition of Entropy Clausius 에 의해 창안된 엔트로피 (Entropy, S) 는 단적으 로 어느 계의 무질서한 정도를 나타내는 물리적 개념이라 고 정의된다. Clausius 에 의해 창안된 엔트로피 (Entropy, S) 는 단적으 로 어느 계의 무질서한 정도를 나타내는 물리적 개념이라 고 정의된다. 그는 ' 열의 역학적 이론에 관하여 (On The Mechanical Theory of Heat)' 란 논문에서 모든 언어에 두루 쓰이도록 그리스어의 ' 변형 (tropy)' 이라는 단어를 빌어 'energy' 라는 용어에 유비적으로 'entropy' 라 명명한다고 밝혔다. 그는 ' 열의 역학적 이론에 관하여 (On The Mechanical Theory of Heat)' 란 논문에서 모든 언어에 두루 쓰이도록 그리스어의 ' 변형 (tropy)' 이라는 단어를 빌어 'energy' 라는 용어에 유비적으로 'entropy' 라 명명한다고 밝혔다. 우여곡절 끝에 1877 년 볼츠만 (Ludwig Boltzmann, 1844- 1906) 에 의해 S = klog W (W 는 분자들의 배열 방법 수 ) 라 는 수학적인 관계식이 유도되면서야 비로소 엔트로피의 물리적 의미가 설정되었다. 우여곡절 끝에 1877 년 볼츠만 (Ludwig Boltzmann, 1844- 1906) 에 의해 S = klog W (W 는 분자들의 배열 방법 수 ) 라 는 수학적인 관계식이 유도되면서야 비로소 엔트로피의 물리적 의미가 설정되었다.

67 열역학 제 2 법칙 자발적인 변화의 방향 자발적인 변화의 방향 엔트로피의 증가 엔트로피의 증가 무질서도의 증가 무질서도의 증가 엔트로피가 줄어드는 변화의 가능성을 원 칙적으로 금하는 것이 아니라 경우의 수를 생각하면 매우 확률이 적다 엔트로피가 줄어드는 변화의 가능성을 원 칙적으로 금하는 것이 아니라 경우의 수를 생각하면 매우 확률이 적다 Maxwell’s Demon Maxwell’s Demon

68 맥스웰의 도깨비 츠즈키 타쿠지 지음 김현영 옮김 혼자서 떠나는 과학여행 시리즈 005 237 쪽 | A5 신 2004 년 1 월 5 일 홍 ISBN : 89-5517-135-8

69 Entropy = information 맥스웰 도깨비 패러독스 맥스웰 도깨비 패러독스 1800 년대 영국 출신 물리학자인 맥스웰 1800 년대 영국 출신 물리학자인 맥스웰 하나의 밀폐된 방과 그 방 한편에 아무런 저항없이 잘 열리는 창이 존재한다는 것을 전제로 한다. 도깨비가 공기 중에 있는 산소만을 골라 그 방에 집어 넣는다고 가정한다. 공짜 산소방 ! 하나의 밀폐된 방과 그 방 한편에 아무런 저항없이 잘 열리는 창이 존재한다는 것을 전제로 한다. 도깨비가 공기 중에 있는 산소만을 골라 그 방에 집어 넣는다고 가정한다. 공짜 산소방 ! 이 패러독스는 50 여 년 후 헝가리 출신 핵 물리학자 스칠라드 에 의해 해석이 되었다. 스칠라드에 의하면, 산소가 하나씩 방 에 넣어질 때마다 정보라는 것이 들어간다는 것이다. 즉, 우리는 공짜가 아니라 도깨비의 정보를 얻어서 산소 방을 만들게 되는 것이다. 이 패러독스는 50 여 년 후 헝가리 출신 핵 물리학자 스칠라드 에 의해 해석이 되었다. 스칠라드에 의하면, 산소가 하나씩 방 에 넣어질 때마다 정보라는 것이 들어간다는 것이다. 즉, 우리는 공짜가 아니라 도깨비의 정보를 얻어서 산소 방을 만들게 되는 것이다. 산소가 채워짐으로써 산소 방의 엔트로피는 낮아지지만 정보 가 높아져서 결국에는 엔트로피와 정보의 총량은 변하지 않게 되는 것이다. 산소가 채워짐으로써 산소 방의 엔트로피는 낮아지지만 정보 가 높아져서 결국에는 엔트로피와 정보의 총량은 변하지 않게 되는 것이다.

70

71

72 에너지 보존 화석연료의 중요성 화석연료의 중요성 화학약품의 합성에 필요한 다양한 재료를 연료로 태워 버리고 있다 화학약품의 합성에 필요한 다양한 재료를 연료로 태워 버리고 있다 전력은 주요한 에너지 소비 전력은 주요한 에너지 소비 보다 효율적인 발전소 보다 효율적인 발전소 발전된 전기의 절약 발전된 전기의 절약 재활용, 신공정 – 알루미늄 캔 한 개의 재활용으로 얻 어지는 에너지로 3 시간 동안 TV 를 볼 수 있다. 재활용, 신공정 – 알루미늄 캔 한 개의 재활용으로 얻 어지는 에너지로 3 시간 동안 TV 를 볼 수 있다. 운송수단의 변화 운송수단의 변화 대중 교통수단 대중 교통수단 친환경적인 운송수단 친환경적인 운송수단 연비 (miles per galon, mpg) 비교 – 표 4.5 연비 (miles per galon, mpg) 비교 – 표 4.5

73 Environmental Issues of Fossil Fuels Spills and Leaks Spills and Leaks Tankers Tankers Production facilities Production facilities Storage facilities Storage facilities Pipelines Pipelines Natural leaks or seeps Natural leaks or seeps Strip mining or open pit mining water pollution - acid mine drainage soil erosion water table interference Subsurface mining water pollution subsidence water table interference health hazards to miners black lung disease

74 References http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/m edialib/media_portfolio/09.html http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/m edialib/media_portfolio/09.html http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/m edialib/media_portfolio/09.html http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/m edialib/media_portfolio/09.html Pub graphics of general chemistry book Pub graphics of general chemistry book http://blueox.uoregon.edu/~courses/dlivelyb/ph161/home.html http://blueox.uoregon.edu/~courses/dlivelyb/ph161/home.html http://blueox.uoregon.edu/~courses/dlivelyb/ph161/home.html http://blueox.uoregon.edu/~courses/dlivelyb/ph161/home.html Physics and energy Physics and energy http://www.chem.lsu.edu/htdocs/people/lgbutler/1202_Fa ll96/WebInit/Ch9_Bonds.html http://www.chem.lsu.edu/htdocs/people/lgbutler/1202_Fa ll96/WebInit/Ch9_Bonds.html http://www.chem.lsu.edu/htdocs/people/lgbutler/1202_Fa ll96/WebInit/Ch9_Bonds.html http://www.chem.lsu.edu/htdocs/people/lgbutler/1202_Fa ll96/WebInit/Ch9_Bonds.html Bond energy Bond energy http://jove.geol.niu.edu/faculty/fischer/105_info/105_E_no tes/lecture_notes/Fossil_Fuels/FF_part5.html http://jove.geol.niu.edu/faculty/fischer/105_info/105_E_no tes/lecture_notes/Fossil_Fuels/FF_part5.html http://jove.geol.niu.edu/faculty/fischer/105_info/105_E_no tes/lecture_notes/Fossil_Fuels/FF_part5.html http://jove.geol.niu.edu/faculty/fischer/105_info/105_E_no tes/lecture_notes/Fossil_Fuels/FF_part5.html Fossil feuls Fossil feuls

75 References http://online.physics.uiuc.edu/courses/phy s113/spring04/Lectures/SP04Lecture4_file s/sld012.htm http://online.physics.uiuc.edu/courses/phy s113/spring04/Lectures/SP04Lecture4_file s/sld012.htm http://online.physics.uiuc.edu/courses/phy s113/spring04/Lectures/SP04Lecture4_file s/sld012.htm http://online.physics.uiuc.edu/courses/phy s113/spring04/Lectures/SP04Lecture4_file s/sld012.htm 물리학 강의 물리학 강의

76

77

78 Bumper to Bumper Photograph by Sarah Leen Just off a ship, imported cars jam a parking lot at the port of Baltimore before trains and trucks pick them up for delivery to dealers along the mid- Atlantic coast and into the Midwest. "We get a shipment like this every day," says spokeswoman Rebecca Barber. "More than 520 vehicle carriers unload here every year." Around the country more than six million cars arrive from abroad annually, contributing to an addiction to driving that has helped make the U.S. the biggest consumer of oil—and oil-based products like gasoline—in the world.

79 Monster Bug Photograph by Sarah Leen A mechanical metamorphosis turns a lowly VW into a big attraction at the 16th Annual Summer 4-Wheel Jamboree Nationals in Bloomsburg, Pennsylvania. More than 3,000 custom vehicles came to show- and-shine or to race, attracting some 56,000 spectators. "Americans have always had a love affair with automobiles," says organizer Doc Riley. Owners of customized cars and trucks express their devotion by spending 27 billion dollars a year on additional parts

80 The Hummer Mystique Photograph by Sarah Leen "This is my everyday vehicle," says this Hummer lover, who puts 40,000 miles (60,000 kilometers) a year on her H1 running errands that include a fast-food stop for lunch near her bicycle shop in an Atlanta, Georgia, suburb. Two years ago she bought the Hummer as a cool, outdoor come-on for the business. "Everyone's reaction is still, Wow! she says. "A lot of people want to sit in it." With two small children, she also likes the safety that such a big vehicle offers. The price? $110,000, plus $60 of diesel every three or four days—worth every cent, as far as Linda is concerned.

81 Oil Underwater Photograph by Sarah Leen One hundred twenty miles (200 kilometers) off the Louisiana coast, the drill ship Discoverer Enterprise prepares for production to begin at BP's Thunder Horse oil field in 2005. As six giant thrusters hold the ship in place, its crew punches wells into the seabed 7,000 feet (2,000 meters) below. With an estimated one billion barrels of crude, this field could represent the biggest discovery yet in the Gulf of Mexico. Developments in offshore drilling have allowed oil companies to work in deeper and deeper waters. The new world record—at 10,011 feet (3,050 meters)—was set in the Gulf in November 2003.

82 What Lies Beneath Photograph by Sarah Leen The wellhead is just the tip of the iceberg at an oil storage cavern in Bryan Mound, Texas, where an employee of the Strategic Petroleum Reserve (SPR) does routine monitoring. Beneath the wellhead is an underground salt cavern the size of the Empire State Building. The SPR, the largest such reserve in the world, began operations in 1977 as an emergency crude oil storage site, ready to be drawn on should a disruption in commercial oil supplies pose a threat to the U.S. economy. Located at four sites in Texas and Louisiana, the reserve can hold up to 700 million barrels of crude oil. Should the need arise, a maximum of 4.3 million barrels of oil a day can be tapped from the reserve for 90 days. And delivery is swift. Once the President gives the go- ahead, oil can be on the U.S. market in 13 days.

83